JP7326648B1 - 玉軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】玉軸受の高速回転による遠心力が保持器に作用して保持器が変形した場合であっても、玉軸受の外輪および内輪への保持器の接触を軽減する。【解決手段】軌道溝３１を有する内輪３０と、軌道溝２１を有する外輪２０と、軌道溝２１，３１の間に配置された複数の玉４０と、玉４０同士の間に挿入される冠型の保持器５０とを備えた玉軸受１０である。保持器５０は、円環形状の基部５１と、基部５１から軸方向に延びる一対の柱部５２と、周方向に沿って複数形成され、柱部５２の間に玉４０が嵌合されるポケット５３とを備えている。保持器５０は、内輪３０と接触し、基部５１の内周面側の角部に、軸方向に向かうに従って内径が徐々に増加するテーパ面５４を設けた。【選択図】図１

Description

本発明は、冠型の保持器が装着された玉軸受に関する。

一般に、玉軸受は、内輪と外輪との間に複数の玉を保持器で保持して構成されている。
従来から使用されている保持器には、樹脂により一体成形された冠型のものがある。冠型保持器では、環状の基部の上面に一対の柱部が周方向に一定間隔で配置され、その一対の柱部間に玉を保持するためのポケットが形成されている。冠型保持器を用いる利点として、射出成形で安価に製造可能なだけでなく、外輪と内輪の間に保持器を挿入するだけで組立て可能なことが挙げられる（例えば特許文献１参照）。

特開２０１７－７５６８３

玉軸受のｄｍｎ値（ピッチ円径（ｍｍ）と回転数（ｒｐｍ）との積）が例えば１７×１０^５を超える程度に大きくなると、冠型の保持器には玉軸受の回転に伴う遠心力が大きくなり、保持器に径方向の広がりが発生する。これにより、保持器が玉軸受の外輪および内輪に接触し、摩耗が発生して短寿命となる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、玉軸受の高速回転による遠心力が保持器に作用して保持器が変形した場合であっても、玉軸受の外輪および内輪への保持器の接触を軽減することができる玉軸受を提供することを目的としている。

本発明は、軌道溝を有する内輪と、軌道溝を有する外輪と、前記軌道溝の間に配置された複数の玉と、前記玉同士の間に挿入される冠型の保持器と、を備え、前記保持器は、円環形状の基部と、該基部から軸方向に延びる一対の柱部と、周方向に沿って複数形成され、前記柱部の間に前記玉が嵌合されるポケットとを備え、前記保持器は、前記内輪と接触し、前記基部の内周面側の角部に、軸方向に向かうに従って内径が増加する肉盗み部を設け、前記外輪の外径と前記内輪の内径との差の半分を軸受の径方向厚さとしたときに、前記軸受の径方向厚さに対する前記玉の径の比が４０％以上かつ５０％未満であり、前記外輪の外径に対する前記玉の径の比が１０％以上かつ２０％未満である玉軸受である。

本発明によれば、玉軸受の高速回転による遠心力が保持器に作用して保持器が変形した場合であっても、玉軸受の外輪および内輪への保持器の接触を軽減することができる。

（Ａ）は本発明の実施形態の玉軸受を示す断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の変更例を示す断面図である。 本発明の実施形態の玉軸受を示す平面図である。 本発明の実施形態における保持器を示す斜視図である。 （Ａ）は本発明の実施形態における保持器を示す展開図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ－Ｂ線断面図である。 本発明の実施形態のモータを示す断面図である。 本発明の他の実施形態のモータを示す断面図である。 本発明の実施形態の変更例を示す斜視図である。 本発明の実施形態において玉の列が周方向に占める角度βを説明するための断面図である。

１．玉軸受の構成
図１は本発明の実施形態の玉軸受１０を示す断面図である。この図に示す玉軸受１０は、外輪２０の軌道溝２１と内輪３０の軌道溝３１との間に、保持器５０によって等間隔に玉４０が保持されて構成されている。

外輪２０、内輪３０、および玉４０の材質はマルテンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ等）や高炭素軸受鋼（ＳＵＪ２、ＳＡＥ５２１００等）、セラミックス（Ｓｉ_３Ｎ_４，ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３等）とされ、熱処理によって表面硬さはＨＲＣ５８以上に高められている。保持器５０は合成樹脂で射出成型または切削等の機械加工によって成形されている。ここで、玉４０の遠心力を低減する目的から、玉４０を構成する材料はセラミックスあることが好ましい。

図３および図４に示すように、保持器５０は、円環形状の基部５１と、基部５１から軸方向上方に向かって延在する一対の柱部５２の間に、玉４０が嵌合されるポケット５３が、周方向に沿って複数形成されている合成樹脂製冠型保持器である。ポケット５３の内周は、玉４０の外径よりも僅かに大径な円筒曲面または球面をなしている。また、保持器５０の内周面側の角部には、軸方向に向かうに従って内径が徐々に増加するテーパ面（肉盗み部）５４が形成されている。このような保持器５０は、内輪３０の外周面３２に接触するように配置されている。なお、内輪３０の外周面３２は、軌道溝３１や軸方向の端部を除いて、軸方向の全域にわたって回転軸に平行な円筒曲面であることが好ましい。このように構成することにより、保持器５０と内輪３０の外周面３２との接触面積が確保され、保持器５０の局所的な摩耗を抑制することができる。また、遠心力で保持器５０が開くように変形したときに、保持器５０に著しい摩耗が生じる原因となる外周面３２の段部がないことは好ましい。

テーパ面５４により、玉軸受１０における高速回転により保持器５０の柱部５２が径方向外側へ向けて広がったとき、柱部５２の端部は外輪２０側に移動する一方、柱部５２の根元の基部５１は内輪３０側へ移動する。この場合、基部５１の角部が内輪３０の外周面に接触する可能性があるが、基部５１にテーパ面５４が形成されているので、接触しても接触面積が少なくて済む。また、テーパ面５４と内輪３０の外周面により断面が楔状の部分が形成され、その部分に毛細管現象により潤滑剤が保持されるという効果もある。なお、テーパ面５４に代えて断面円弧状のＲ形状とすることもできる。また、テーパ面５４と基部５１の内周面との境界部分が断面円弧状のＲ形状とすることもできる。この場合、玉軸受１０における高速回転により保持器５０の柱部５２が径方向外側へ向けて広がったとき、保持器５０が内輪３０の外周面と接触する部分がＲ形状又は平面となるため、保持器５０の摩耗をより低減することができる。

テーパ面５４の軸方向に対する角度αをあまり大きくすると保持器５０の剛性が損なわれるので、角度αは４５°未満とする。テーパ面５４の角度αは、好ましくは３０°未満、より好ましくは１５°未満がよい。

外輪２０の柱部５２の軸方向端部側の内周面には、軌道溝２１の軸方向端部から軸方向へ向かうに従って内径が徐々に増加するテーパ面２２が形成されている。このテーパ面２２により、遠心力によって保持器５０の柱部５２が開くように変形した場合であっても、柱部５２の外輪２０の内周面への接触が抑制される。

また、外輪２０の内周面の開口部付近には、環状の溝２４が形成されている。この溝２４には、シール部材の縁部が嵌合する。

保持器５０を構成する合成樹脂としては、ポリアミド（ナイロン６６、ナイロン４６、ＰＡ９Ｔ，ＰＡ１０Ｔ等）やポリアセタールなどを用いることができるが、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等のポリエーテルケトン系樹脂は強度が高く好適に用いられる。それらの熱可塑性樹脂をガラス繊維や炭素繊維で強化したものを用いることができる。そして、そのような合成樹脂を好適には大量生産に適した射出成形によって保持器５０に成形される。

本実施形態の玉軸受１０では、高速回転に伴う遠心力による保持器５０の変形を抑制するために、好ましい態様として、以下のような各部の寸法割合を設定している（図４（Ｂ）参照）。

ｉ）保持器５０の軸方向長さＡに対する基部５１の軸方向厚さＢの割合は２０％以上であり、基部５１の径方向厚さＣに対する軸方向厚さＢの割合は５２％以上である。このように設定することで、基部５１が相対的に長くなり、遠心力による変形が抑制される。長さＡに対する厚さＢの割合は２２％以上が好ましく、厚さＣに対する厚さＢの割合は６０％以上が好ましい。

ii）保持器５０の軸方向長さＡに対する保持器５０の径方向厚さの比は３０～４０％である。このように設定することにより、保持器５０が径方向に薄くなって柱部５２が軽量化し、遠心力による変形を抑制することができる。なお、保持器５０が薄過ぎると充分な強度が得られないので、長さＡに対する厚さＣの比は３０％を下限とした。長さＡに対する厚さＣの比は３０～３７．５％が好ましい。

iii）外輪２０の内径Ｄと内輪３０の外径ｄとの差を軌道溝間距離としたときに（図２参照）、軌道溝間距離に対する保持器５０の径方向厚さＣの比が５０％以上かつ６５％未満である。このように設定することで、保持器５０が径方向に薄くなって柱部５２が軽量化し、遠心力による円径を抑制することができる。軌道溝間距離に対する厚さＣの比は５０％以上かつ６２％未満であることが好ましい。

iv）外輪２０の外径と内輪３０の内径との差の半分を玉軸受１０の径方向厚さとしたときに、玉軸受１０の径方向厚さに対する玉４０の径の比は４０％以上かつ５０％未満であり、外輪２０の外径に対する玉４０の径の比は１０％以上かつ２０％未満である。このように設定することにより、玉軸受１０のサイズに対して玉４０のサイズが小型となり、玉４０の遠心力が低減される。これにより、外輪２０の軌道溝２１の摩耗を抑制することができる。玉軸受１０の径方向厚さに対する玉４０の径の比は４０％以上かつ４５％未満であることが好ましい。なお、玉４０を小型化することにより玉４０の数を増やすことができる。

ｖ）図８に示すように外輪２０と内輪３０との間に組み込まれた玉４０を周方向に連なるように隙間なく並べた場合の、軸方向視で、外輪２０の中心軸と玉４０の列の一端の玉４０の中心を通る直線と、外輪２０の中心軸と玉４０の列の他端の玉４０の中心を通る直線との玉４０側の間に占める角度β（組込角度）は、１８５°～１９５°である。このように組込角度を大きく設定することにより、玉４０の数を多くして玉４０の径を小さくすることができる。これにより、ピッチ円径Ｐが小さくなり、玉４０の遠心力が低減されるとともに、保持器５０に作用する遠心力が小さくなる。また、組込角度が１８５°～１９５°であると、保持器５０の柱部５２の周方向の幅も必然的に小さくなり、柱部が軽量化することでより遠心力がさらに小さくなる。上記組込角度βは、１８５°～１９０°であることが好ましい。

vi）図１に示すように、内輪３０の軌道溝３１の径方向深さは、外輪２０の軌道溝２１の径方向深さよりも大きい（図１参照）。このように設定することにより、玉４０を径方向内側に配置することができ、玉４０の遠心力が低減される。

vii）外輪２０および内輪３０の軌道溝２１，３１断面の曲率半径に対する玉４０の径の溝曲率比は５３％以上である。このように設定することにより、玉４０と軌道溝２１，３１との接触が少なくなり、両者の摩擦を低減することができる。また、内輪３０の軌道溝３１の深さを外輪２０の軌道溝２１の深さよりも深くする場合には、玉４０と軌道溝３１との接触を少なくするために、内輪３０の軌道溝３１断面の溝曲率比は、外輪２０の軌道溝２１断面の溝曲率比よりも大きくする。

２．モータの構成
図５を参照して上記構成の玉軸受１０を装着したモータ１を説明する。
モータ１は、ハウジング２を備えている。ハウジング２は内部に軸断面が円形の空間２ａを備えており、空間２ａの内周面には、ステータコア３が固定されている。ステータコア３は、環形状を有する薄板状の軟磁性材料（例えば、電磁鋼板）を軸方向で複数枚積層したものであり、径方向外側に突出した複数の極歯を備えている。複数の極歯は、周方向に沿って等間隔に設けられ、それぞれにコイル４が巻回されている。

ハウジング２の両端面には、開口部２ｂが形成され、開口部２ｂには、上記構成の玉軸受１０が接着剤によって固定されている。玉軸受１０の内輪３０にはシャフト５が接着剤によって固定され、これにより、シャフト５は、玉軸受１０によって回転可能に支持されている。

シャフト５の玉軸受１０同士の中間には、スペーサ６を介してロータマグネット（ロータコア）７が圧入や接着等の手段で固定されている。ロータマグネット７は、ステータコア３の極歯と隙間を空けて対向し、周方向に沿ってＳＮＳＮ・・と隣接する部分が交互に異極性となるように着磁されている。そして、コイル４に駆動電流を供給することで、ロータマグネット７を回転させようとする駆動力が生じ、シャフト５がハウジング２に対して回転する。シャフト５の先端部には、例えばドライヤー等の回転体が接続される。

３．効果
上記構成のモータ１にあっては、シャフト５が玉軸受１０によって回転可能に支持されて、保持器５０は内輪３０と接触しているから、保持器５０に作用する遠心力を低減することができる。また、高速回転によって保持器５０が径方向外側へ広がったときに外輪２０と接触する可能性が低い。一方、保持器５０の基部５１の内周面側の角部に、軸方向に向かうに従って内径が徐々に増加するテーパ面を設けているから、保持器５０の内輪３０との接触面積が小さい。また、保持器の５０の柱部５２が径方向外側に傾斜して基部５１が内側へ移動したときに、基部５１と内輪３０との接触面積は小さい状態が維持される。よって、保持器５０の摩耗を抑制することができる。

したがって、上記構成のモータ１にあっては、ｄｍｎ値が１７×１０^５～２１×１０^５での回転が可能である。

上記のｄｍｎ値を有する実施形態の玉軸受１０で耐久試験を行った結果、試験を１０００時間以上継続することができた。これに対して、上記のような特徴を備えていない玉軸受で耐久試験を行った結果、２００時間程度で試験を停止する結果となった。

４．変更例
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、以下のように種々の変更が可能である。
ｉ）図７に示すように、柱部５２の両端部に保持爪５５を形成することができる。保持爪５５は、隣接する柱部５２の端部から軸方向上側および互いに接近する方向に延在している。この場合のポケット５３は球状の曲面である。この例においても、上記した各種数値限定は全て当てはまる。

ii）図１（Ｂ）に示すように、外輪２０の外周に環状溝２３を形成し、環状溝２３にＯリングを装着するように構成することができる。

iii）図５に示すモータは、玉軸受１０の間にロータマグネット７を配置した両持ち支持の例であるが、図６に示すように、玉軸受１０による片持ち支持の状態でロータマグネット７を配置することもできる。図６に示すモータ１ａは、ハウジング２の端面に、玉軸受１０を収容するケーシング８を設けたものである。ケーシング８は、ハウジング２と一体的に成形されているが、両者を別々に成形して接着等の手段で互いに固定してもよい。ケーシング８は円筒状をなし、その内周面８ａの下端部には一方の玉軸受１０が接着等の手段で固定されている。玉軸受１０の内輪３０にはスペーサ９が当接しており、スペーサ９の上端面に内輪３０を当接させた状態で他方の玉軸受１０が内周面８ａに接着等の手段で固定されている。このように、ロータマグネット７を片持ち支持したモータ１ａにおいても上記モータ１と同等の作用および硬化を得ることができる。

本発明の玉軸受は、家庭用電気掃除機やドライヤーに用いられるモータや電動工具、ファンモータ、歯科用ハンドピースなどの各種高速回転機器および高速で揺動運動を行うハードディスク駆動装置のヘッドアクチュエータに組み込んで好適に用いることができる。

１，１ａ…モータ、２…ハウジング、２ａ…空間、２ｂ…開口部、３…ステータコア、４…コイル、５…シャフト、６…スペーサ、７…ロータマグネット（ロータコア）、８…ケーシング、８ａ…内周面、９…スペーサ、１０…玉軸受、２０…外輪、２１…軌道溝、２２…テーパ面、２３…環状溝、２４…溝、３０…内輪、３１…軌道溝、３２…外周面、４０…玉、５０…保持器、５１…基部、５２…柱部、５３…ポケット、５４…テーパ面（肉盗み部）、５５…保持爪、α…角度、Ａ…軸方向長さ、Ｂ…軸方向厚さ、Ｃ…径方向厚さ、ｄ…内輪の外径、Ｄ…外輪の内径、Ｐ…ピッチ円径。

Claims (14)

1. 軌道溝を有する内輪と、軌道溝を有する外輪と、前記軌道溝の間に配置された複数の玉と、前記玉同士の間に挿入される冠型の保持器と、を備え、前記保持器は、円環形状の基部と、該基部から軸方向に延びる一対の柱部と、周方向に沿って複数形成され、前記柱部の間に前記玉が嵌合されるポケットとを備え、前記保持器は、前記内輪と接触し、前記基部の内周面側の角部に、軸方向に向かうに従って内径が増加する肉盗み部を設け、
   前記外輪の外径と前記内輪の内径との差の半分を軸受の径方向厚さとしたときに、前記軸受の径方向厚さに対する前記玉の径の比が４０％以上かつ５０％未満であり、前記外輪の外径に対する前記玉の径の比が１０％以上かつ２０％未満である玉軸受。
2. 前記外輪と前記内輪との間に組み込まれた前記玉を周方向に連なるように隙間なく並べた場合の、軸方向視で、前記外輪の中心軸と前記玉の列の一端の前記玉の中心を通る直線と、前記外輪の中心軸と前記玉の列の他端の前記玉の中心を通る直線との前記玉側の間の周方向に占める角度は、１８５°～１９５°である請求項1に記載の玉軸受。
3. 軌道溝を有する内輪と、軌道溝を有する外輪と、前記軌道溝の間に配置された複数の玉と、前記玉同士の間に挿入される冠型の保持器と、を備え、前記保持器は、円環形状の基部と、該基部から軸方向に延びる一対の柱部と、周方向に沿って複数形成され、前記柱部の間に前記玉が嵌合されるポケットとを備え、前記保持器は、前記内輪と接触し、前記基部の内周面側の角部に、軸方向に向かうに従って内径が増加する肉盗み部を設け、
   前記外輪の内径と前記内輪の外径との差を軌道溝間距離としたときに、前記軌道溝間距離に対する前記保持器の径方向厚さの比が５０％以上かつ６５％未満である玉軸受。
4. 軌道溝を有する内輪と、軌道溝を有する外輪と、前記軌道溝の間に配置された複数の玉と、前記玉同士の間に挿入される冠型の保持器と、を備え、前記保持器は、円環形状の基部と、該基部から軸方向に延びる一対の柱部と、周方向に沿って複数形成され、前記柱部の間に前記玉が嵌合されるポケットとを備え、前記保持器は、前記内輪と接触し、前記基部の内周面側の角部に、軸方向に向かうに従って内径が増加する肉盗み部を設け、
   前記外輪の前記柱部の軸方向端部側の内周面に、前記軌道溝の軸方向端部から軸方向へ向かうに従って内径が増加するテーパ面を設けた玉軸受。
5. 前記肉盗み部はテーパ面であり、該テーパ面が軸方向に対してなす角度は４５°未満である請求項１乃至４のいずれかに記載の玉軸受。
6. 前記肉盗み部はテーパ面であり、該テーパ面が軸方向に対してなす角度は３０°未満である請求項５に記載の玉軸受。
7. 前記肉盗み部はテーパ面であり、該テーパ面が軸方向に対してなす角度は１５°未満である請求項６に記載の玉軸受。
8. 前記保持器の軸方向長さに対する前記基部の軸方向厚さの割合が２０％以上であり、前記基部の径方向厚さに対する軸方向厚さの割合は５２％以上である請求項１乃至４のいずれかに記載の玉軸受。
9. 前記保持器の軸方向長さに対する前記基部の径方向厚さの比が３０～４０％である請求項１乃至４のいずれかに記載の玉軸受。
10. 前記内輪の前記軌道溝の径方向深さは、前記外輪の前記軌道溝の径方向深さよりも大きい請求項１乃至４のいずれかに記載の玉軸受。
11. 前記内輪の外周面の前記軌道溝を除く全周が前記軸方向に平行な円筒曲面である請求項１乃至４のいずれかに記載の玉軸受。
12. 前記玉の径に対する前記外輪および前記内輪の前記軌道溝断面の曲率半径の溝曲率比は５３％以上であり、前記内輪の前記軌道溝断面の前記溝曲率比は、前記外輪の前記軌道溝断面の前記溝曲率比よりも大きい請求項１乃至４のいずれかに記載の玉軸受。
13. ｄｍｎ値が１７×１０^５～２１×１０^５である請求項１乃至４のいずれかに記載の玉軸受。
14. 請求項１乃至４のいずれかに記載の玉軸受を介して回転可能に設けられたシャフトと、前記シャフトに固定されたロータコアと、を備えたモータ。

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